[发明专利]基于电磁理论与移动跟踪的力反馈人机交互系统及方法

说明书

本发明提出了基于电磁理论与移动跟踪的力反馈人机交互系统及方法。本发明允许操控者使用手势动作来操控机器人，同时在操作过程中能感受到力反馈作用。交互系统包括本地控制计算器、移动跟踪平台、手势识别传感器、磁力产生装置、磁力感受装置等五个部分。而交互方法分为控制和反馈两个部分，其中控制部分使用了基于视觉接口的非接触式手势动作为控制信息，而反馈部分则使用了非接触式力磁力作为反馈信息，以减少交互时受到的物理限制，同时附加移动跟踪功能，确保磁力产生装置和磁力感受装置能保持相对位姿不变性，以减少因磁场衰减带来的受力过小问题。

技术领域

本发明属于机器人人机交互领域，特别涉及一种基于LeapMotion体感控制器的控制技术和基于电磁感应技术力反馈技术的人机交互系统及其交互方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，人机交互技术也由原来的键鼠控制、显示屏反馈的传统交互方式朝着立体的、非受限制的交互方式发展。

已有方法中，控制磁力方向的方法主要是固定多个电磁铁，根据磁场的矢量合成法则，通过控制各个电磁铁通入电流的大小，改变其磁场分布，使得能在手掌处合成出对应方向的磁力。这种方法的缺点是计算量大、精确性低以及存在盲区。电磁铁磁场的分布通常采用有限元方法进行分析，这个过程中夹杂着大量的积分运算，计算量很大，因此控制过程的实时性便得不到保证。分析出磁场后，通过磁场受力再反算出需要通入电流的大小，通常采用线性插值进行计算，而线性插值方程组的求解，存在着无解的情况，也就是会出现盲区，盲区也会给实验效果带来影响。另外，电磁铁由于制作工艺的影响，会存在漏磁、升温等因素对计算产生影响，因此计算的精度也得不到保证。

另外，本发明改进了产生磁力方向控制的控制方式。本发明则将移动电磁铁固定在移动跟踪平台的末端，使用跟踪平台带动电磁铁运动，改变电磁铁的朝向来产生对应方向的磁力。

本发明在研究了现有人机交互技术的基础上，还提出了以非接触式的手势动作作为交互的控制方式，一非接触式磁力作为力反馈的反馈方式，建立了一套以电磁理论和移动跟踪为基础的立体的、非接触的、非受限制的人机交互系统和交互方法。使用该发明，操控者可以使用手势动作来控制机器人工作，另一方面，机器人工作时所反馈的信息，也可以通过力反馈的方式直接作用于操控者手上，使操控者能更加直观的判断和调整下一次交互的步骤和命令，让交互过程更加直观。

发明内容

本发明的目的在于提供基于电磁理论与移动跟踪的力反馈人机交互系统及方法，即以电磁理论和移动跟踪为基础的立体的、非接触的、非受限制的人机交互系统和交互方法。

本发明提供的基于电磁理论与移动跟踪的力反馈人机交互系统，其包括：本地控制计算器、移动跟踪平台、手势识别传感器、磁力产生装置和磁力感受装置；其中，手势识别传感器使用基于双目视觉的红外传感器LeapMotion设备，用于检测并识别手势位姿数据；本地控制计算器则将手势数据转化为操作命令，发送给远端的机器人控制柜，控制机器人工作，并接收返回信息；移动跟踪平台使用6自由度的机械臂，在机械臂的末端上固定磁力产生装置，使磁力产生装置与手部保持相对位置的不变性，将磁场衰减的计算量转化为移动跟踪平台位姿变化量计算，减少控制器的计算负担；磁力产生装置使用电流大小可调的电磁铁作为产生磁力的源，根据机器人的反馈信息，通入电流，产生合适的磁力，来向人传达反馈的信息；磁力感受装置由戴在人手上的手套以及手套上的永磁材料构成，用于向操作者反馈产生的磁力；操作者通过非接触式的手势姿势控制机器人，同时系统通过非接触式力方式将机器人信息反馈给操作者。

本发明提供的基于电磁理论与移动跟踪的力反馈人机交互方法，交互的过程包括：

S1、手势获取；

S2、力反馈。

所述步骤S1包括以下步骤：